Practica 5 - Estado Transitorio 1

LABORATORIO LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Práctica # 5: Estado transitorio – Parte 1 1 OB! OB!ETI" ETI"O: O: • •

Estudiar los fenómenos de transferencia de calor y su dependencia con el tiempo. Desarr Desarrolla ollarr procedi procedimien mientos tos para determina determinarr la rel relació ación n entre entre la distrib distribució ución n de temperaturas en un proceso transitorio.

 $ARCO $ARCO TE%RICO: TE%RICO: En el estudio de la transferencia de calor se deben considerar otras condiciones más comp compli lica cada dass que que hast hasta a el mome moment nto o no se han han trat tratad ado. o. Ha Hast sta a el mome moment nto o se han han estudi estudiad ado o cas casos os de estado estado estaci estaciona onario rio,, unidi unidimen mensio sional nal sin sin genera generació ción n inter interna. na. Es importante entonces determinar determinar el cambio de éstas condiciones con el tiempo. Un problema simple y común, por eemplo, es cuando un sólido e!perimenta un cambio súbito en su ambiente térmico. "onsid "ons ider ere e un proc proces eso o de temp templa lado do del del acer ac ero o co como mo se mues muestr tra a en la #gur #gura a $. %nicialmente el cuerpo de acero está a una temperatura uniforme y es sumergido en un l&quido con una temperatura e!tr e!trem emad adam amen ente te infe inferi rior or.. El temp templa lado do comien comien'a 'a cuando cuando la barra barra es sumer sumergid gida a hasta el momento en que ésta adquiere la misma temperatura que el l&quido donde Enfriamiento en un proceso de templado. fue fue sume sumerrgido gido.. Este Este proc proces eso o tar tardará dará  Figura 1. Enfriamiento deter determi minad nado o tiemp tiempo o y depend depende e de factor factores es como como la difer diferenc encia ia de temper temperatu aturas ras,, el fenómeno de con(ección, la conducti(idad térmica, la resistencia térmica, entre otros. ac*+*(ada  en donde En ésta práctica se utili'ará el método de ca&acitancia '(o)a( o ac*+*(ada en se asume que la temperatura del sólido es espacialmente uniforme durante el proceso transitorio, éstos implica despreciar los gradientes de temperatura dentro del sólido. )egún la ley de *ourier, la conducción de calor en ausencia de gradientes de temperatura implica que el material tenga conducti(idad conducti(idad térmica in#nita. Estudiando entonces el proceso de enfriamiento que se muestra en la #gura $, se puede apli aplica carr el mé méto todo do de ca capa paci cita tanc ncia ia glob global al,, ya que que la ener energ& g&a a térm térmic ica a del del sóli sólido do se trans#ere al medio l&quido en su totalidad por el mecanismo de con(ección. +ara el (olumen de control, el balance de energ&a será

 Ecuación 1. Balance de energía

%ntegrando la ecuación $ desde el tiempo inicial t- hasta el tiempo que tarde en adquirir la temperatura del medio / alr se adquiere la ecuación 0. )e supone entonces que el medio no tendrá un cambio de temperatura signi#cati(o y por lo tanto permanece constante.  Ecuación 2. Ecuación para determinar el tiempo de enfriamiento

Donde T =Temperatura eneltiempo t  T ∞=Temperaturadel medio ( se suponeconstante ) T i =Temperaturainicial del sólido. h = Factor de convección .  ρ  Densidad del sólido . =

V c =Volumen característico V c = Lc∗ A s Para placa plana L c = 2e (espesor) Para cilindro largo L c= r (radio)

En la ecuación 0 se aprecia un término que es constante y que no depende del tiempo o de la temperatura. 1 éste término se le conoce como constante de tiempo y es igual a la resistencia a la transferencia de calor por con(ección por la capacitancia térmica global.  Ecuación 3. Constante de tiempo.

Este método es de gran aplicación industrial dado su sencille' problemas simples de transferencia de calor en estado transitorio.

y su efecti(idad en

 Figura 2 Efecto del número de Biot en una distribución de temperaturas.

El modelo de cálculo propuesto in(olucra la medición del factor de con(ección h, pero éste (alor no puede ser medido directamente en el laboratorio, as& que se determinará anal&ticamente. )e propone entonces hacer un balance de energ&a en la super#cie del sólido, cómo se muestra en la ecuación 2 y en la #gura 0.  Ecuación 4. Determinación del número de Biot 

El número de 3iot 43i5 es una cantidad adimensional que relaciona el calor por conducción y el calor por con(ección y da información sobre cuál de los dos fenómenos de transferencia de calor es el predominante. +ara que el gradiente de temperaturas sea despreciable en la conducción y se pueda aplicar las suposiciones del método de capacitancia global el número de 3iot debe adquirir los siguientes (alores. Bi ≤ 0.1  para placas planas. Bi ≤ 0.05 para cilindros largos .

6. E,PERI$ENTACI%N A E-.IPOS

    

+lacas y cilindros con generación interna. 7ariadores de (oltae.  /ermocuplas. 8edidores de temperatura  /ermómetro. B PROCEDI$IENTO / E,PERIENCIAS

)e usarán dos placas planas 4brillante y pintada5 y un cilindro dispuestos en posición hori'ontal y conectadas a un (ariador de (oltae. 9a placa y el cilindro deben estabili'arse a una temperatura determinada. %nmediatamente se desconecta del (ariador de (oltae y se empie'a a medir el tiempo. )e registrará el tiempo que tarde en enfriarse hasta una temperatura cercana al ambiente. )e recomienda tomar el tiempo cada que el obeto disminuya su temperatura en 6 o 2 grados cent&grados.

Placa horizontal conveccion Cilindro horizontal

libre.

conveccion libre.

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